火電廠(chǎng)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的分析和診斷

余德雷　王偉

摘 要：在發(fā)電廠(chǎng)設(shè)備故障中汽輪機(jī)組震動(dòng)異常是其中一種較為常見(jiàn)的情況。在發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中對(duì)汽輪機(jī)異常振動(dòng)進(jìn)行分析十分必要，因?yàn)槠涔收显蛳葘?duì)較多，且難以確定具體原因。故為電力檢修部門(mén)提供基礎(chǔ)分析的依據(jù)也十分重要，只有查明原因才能對(duì)癥維修。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)組；異常振動(dòng)；影響因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.147

很多因素會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)組軸承出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大或者異常的現(xiàn)象，以下面將從幾個(gè)不同的方面分析汽輪機(jī)震動(dòng)故障原因。

1 汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造因素

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，汽輪機(jī)將原動(dòng)機(jī)的蒸汽動(dòng)力變成機(jī)械功率，轉(zhuǎn)子在力矩的作用下高速旋轉(zhuǎn)。對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸中心和質(zhì)量中心點(diǎn)不處于同一位置，轉(zhuǎn)子會(huì)到一個(gè)力矩的作用，進(jìn)而產(chǎn)生離心偏向力。在汽輪機(jī)組穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)很大程度上是由該離心力對(duì)轉(zhuǎn)軸中心的激振力引起的，當(dāng)離心力的幅值超過(guò)某一限定值時(shí)，轉(zhuǎn)軸異常振動(dòng)的現(xiàn)象就無(wú)法避免。因此，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裝配過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的不平衡量必須限定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。裝配各級(jí)葉片都應(yīng)該校對(duì)葉片動(dòng)平衡性能。而轉(zhuǎn)子整體的低速動(dòng)態(tài)平衡模型試驗(yàn)工作應(yīng)該在汽輪機(jī)全部裝配完成后進(jìn)行。同理，高速動(dòng)態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)也是如此。

在發(fā)電設(shè)備制造過(guò)程中，有兩點(diǎn)原因會(huì)直接導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子偏心距過(guò)大，分別是工業(yè)機(jī)床制造精度相對(duì)較低和生產(chǎn)線(xiàn)裝配水平薄弱。在發(fā)電廠(chǎng)故障發(fā)生時(shí)，如果可以針對(duì)在原始設(shè)計(jì)上不足且備案注明的部件先行檢查，這會(huì)對(duì)恢復(fù)生產(chǎn)運(yùn)行節(jié)省大量時(shí)間，故對(duì)于轉(zhuǎn)子軸承原始設(shè)計(jì)有不足的汽輪機(jī)組，故障點(diǎn)的備案和記錄工作是十分必要的。以東風(fēng)汽車(chē)生產(chǎn)的600MW汽輪機(jī)組為例，我們選取三缸兩排氣式設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)，其低壓軸承在標(biāo)況下使用過(guò)程中會(huì)有約6到7絲的振動(dòng)，如果低壓軸的封供汽環(huán)境條件發(fā)生改變，其溫度上升達(dá)到120-130度之間，則可降至4絲的振動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)程度會(huì)加劇，保持一段時(shí)間穩(wěn)定后逐步下降。此時(shí)再次改變低壓軸的封供汽條件，提高測(cè)量溫度超過(guò)150度以后，振動(dòng)程度會(huì)增加。在東汽的汽輪機(jī)案例中，可以總結(jié)出汽輪機(jī)組的振動(dòng)主要發(fā)生在低壓軸上，原因是排汽缸壓應(yīng)力耐受性能較差，而低壓軸的軸承座恰好位于這一位置，工作環(huán)境溫度的影響較大，導(dǎo)致軸承的標(biāo)高改變。針對(duì)此種故障，要加固軸承座的支撐強(qiáng)度，確定低壓軸標(biāo)高的溫度系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 設(shè)備安裝和檢修因素

在發(fā)電廠(chǎng)日常運(yùn)行中，安裝和檢修操作是不可缺少的兩項(xiàng)，而操作不當(dāng)是汽輪機(jī)組軸承的振動(dòng)異常的一個(gè)重要原因。在汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備安裝和檢過(guò)程中，操作規(guī)范對(duì)設(shè)備正常工作有著很大影響，以下將分別介紹安裝檢修過(guò)程中的重點(diǎn)問(wèn)題。

2.1 軸承的機(jī)械特性

軸承的機(jī)械特性包括三點(diǎn)，分別是連接的剛度、頂隙還有軸瓦所受的緊力。軸承剛度是由軸承的連接情況所決定的，如果軸承鑄造剛度不夠，則受到相同的激振力時(shí)，會(huì)造成相對(duì)較高的軸承振動(dòng)，故各連接螺栓必須擰緊。則在某些相關(guān)因素的干擾下，考驗(yàn)的是軸承自身穩(wěn)定性能，若果性能較差汽輪機(jī)機(jī)組極易發(fā)生振動(dòng)過(guò)大的現(xiàn)象。

2.2 軸承自身特性

機(jī)組振動(dòng)的來(lái)源之一是軸承本身帶有的特有屬性，而其中起到?jīng)Q定性作用的是軸瓦的緊力，連接剛度等。假如機(jī)組發(fā)生源于非內(nèi)部因素的作用下，發(fā)生振動(dòng)超出指標(biāo)的限定值，那么很有可能是軸承的穩(wěn)定性不夠。對(duì)軸承的穩(wěn)定性起著決定性因素的是軸瓦緊力和頂隙。在工作現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常發(fā)生的振動(dòng)現(xiàn)象的起因之一是因?yàn)槲磾Q緊的螺栓，螺栓的未擰緊狀態(tài)將導(dǎo)致軸承的連接狀態(tài)不理想，進(jìn)而造成軸承的剛度不達(dá)標(biāo)。不同剛度的軸承在受到相同大小的激振力的作用下，剛度弱的軸承會(huì)有更大的振動(dòng)現(xiàn)象，因?yàn)楣ぷ魅藛T需要對(duì)擰緊螺栓有足夠的重視。

2.3 機(jī)組中心

汽流以及電磁的激振，亦或是機(jī)組內(nèi)部動(dòng)靜部件的摩擦碰撞很可能是由于同心度（源于動(dòng)靜部件）與正常值的偏離太多的造成的。當(dāng)工作人員對(duì)圓周及端面中心數(shù)據(jù)進(jìn)行各種非常精準(zhǔn)的設(shè)置，然而完成連接之后，依然會(huì)存軸系的不同心，亦或是不平直的結(jié)果。其原因在于各種部件的不同心現(xiàn)象，諸如聯(lián)軸器法蘭外圓的圓心與軸頸的圓心并不處于同一點(diǎn)上。機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象還可能源于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子，這是因?yàn)橛屑ふ窳Φ淖饔茫▉?lái)源于軸系的不同心或者不平直）。

2.4 滑銷(xiāo)系統(tǒng)

當(dāng)工作人員對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢修或者安裝時(shí)，滑銷(xiāo)系統(tǒng)的非正常工作狀態(tài)導(dǎo)致汽輪機(jī)或者發(fā)電機(jī)的不能正常工作運(yùn)行的狀況是需要慎重對(duì)待的。其原因在于該系統(tǒng)的卡澀將導(dǎo)致機(jī)組向外擴(kuò)張的狀態(tài)遭受制約，而這一原因?qū)⒃斐善啓C(jī)或者發(fā)電機(jī)的振動(dòng)指標(biāo)不合格的不良結(jié)果，甚至無(wú)法正常開(kāi)機(jī)，亦或是在機(jī)組內(nèi)部的動(dòng)靜部件之間產(chǎn)生摩擦碰撞，這將致使機(jī)組遭受更深層次的損壞。

2.5 動(dòng)靜間隙

不論是汽輪機(jī)內(nèi)的效率，還是發(fā)電機(jī)的效率都與其內(nèi)部動(dòng)靜部件之間的間隙有關(guān)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與氣缸或者是汽輪機(jī)與軸封之間的間隙太大都會(huì)造成汽輪機(jī)效率降低，后者主要是因?yàn)閮?nèi)外的氣體方向泄露。而發(fā)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙需要控制在合適的范圍內(nèi)，太大會(huì)造成效率的降低，太小又會(huì)使定轉(zhuǎn)子之間摩擦碰撞，使得機(jī)組的振動(dòng)指標(biāo)不合格。因此在實(shí)際工作中，合理設(shè)置上述的間隙距離有著非常重要的意義。

3 運(yùn)行方面

3.1 機(jī)組膨脹

依據(jù)此前章節(jié)中所述，為了有效引導(dǎo)機(jī)組正常運(yùn)行，我們引入滑銷(xiāo)系統(tǒng)，其可以抑制汽輪機(jī)組的膨脹自由度。如果沒(méi)有滑銷(xiāo)系統(tǒng)運(yùn)行不暢，則發(fā)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)異常的現(xiàn)象。如果發(fā)電廠(chǎng)工作人員操作不當(dāng)，機(jī)組受熱膨脹無(wú)法被正常引導(dǎo)的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在汽輪機(jī)日常運(yùn)行中。例如汽輪機(jī)從冷態(tài)開(kāi)始逐步啟動(dòng)過(guò)程中，機(jī)組要完成暖機(jī)操作并逐步增加負(fù)荷。如果在轉(zhuǎn)子升速過(guò)快或者暖機(jī)不充分，則設(shè)備各組成部分的受熱膨脹不同。出現(xiàn)這種情況，熱應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生的汽輪機(jī)的不同組件之間，進(jìn)而造成設(shè)備使用壽命降低，造成汽輪機(jī)組機(jī)械損傷；其次，不同組件見(jiàn)的膨脹差一旦過(guò)大會(huì)對(duì)正常開(kāi)機(jī)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行造成影響。此外，另一種常見(jiàn)的汽輪機(jī)組震動(dòng)故障是動(dòng)靜碰磨，造成的原因是開(kāi)機(jī)未能使汽輪機(jī)充分膨脹。

3.2 汽流激振

在汽輪機(jī)中，當(dāng)不均衡的氣體對(duì)葉片產(chǎn)生猛烈撞擊，這就會(huì)造成汽流激振；當(dāng)機(jī)組的末級(jí)長(zhǎng)度達(dá)到一定長(zhǎng)度，源于膨脹末端的流道紊亂也是造成這一現(xiàn)象的可能因素之一，不過(guò)這種情況多發(fā)生于大型機(jī)組；最后一種來(lái)源是軸封上。汽輪機(jī)組中的這一現(xiàn)象帶來(lái)的困擾表現(xiàn)在：當(dāng)進(jìn)行故障分析的時(shí)候，需要研究人員花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間（這可能長(zhǎng)達(dá)一年之久）以記錄機(jī)組多組相關(guān)數(shù)據(jù)（振動(dòng)以及滿(mǎn)負(fù)荷），在這基礎(chǔ)上制圖分析。然后采用改變負(fù)荷速率的方法，對(duì)水量進(jìn)行記錄，并曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析。為了使氣流激振不存在，一般采用改變高壓調(diào)速氣門(mén)重調(diào)。換而言之，就是使汽輪機(jī)運(yùn)行在不產(chǎn)生氣流激振的的負(fù)荷范圍內(nèi)，同時(shí)減小負(fù)荷的變化率。

3.3 潤(rùn)滑油溫

軸頸的穩(wěn)定性越高，這意味著機(jī)組抵御迫使振動(dòng)的干擾因素能力越強(qiáng)。然而轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性將受到其表面潤(rùn)滑油油膜狀態(tài)的影響。然而油膜的形成主要受到兩方面因素的作用：第一是潤(rùn)滑油自身的溫度，第二是軸承烏金。一個(gè)合理的油溫范圍對(duì)油膜的形成有著重要意義。

3.4 轉(zhuǎn)子熱變形

在很多情況下，當(dāng)機(jī)組從冷態(tài)啟動(dòng)，并進(jìn)入定轉(zhuǎn)速，拖動(dòng)負(fù)載的時(shí)候，伴隨著轉(zhuǎn)子的溫度將階段性地提高，源于轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)造成其形狀的改變，這將造成一倍頻振動(dòng)從幅值和與相位兩方面的改變。這就能解釋轉(zhuǎn)子溫度與蒸汽參數(shù)對(duì)一倍頻振動(dòng)的影響。轉(zhuǎn)子不論是的永久性的，還是短時(shí)性的形變，都和轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，有著相同的產(chǎn)生故障的原因，均會(huì)形成旋轉(zhuǎn)的激振力使軸的兩端進(jìn)行錐形的運(yùn)動(dòng)，這將造成50Hz的軸向振動(dòng)。此外，在某一轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅度會(huì)小幅度的轉(zhuǎn)弱，即從波形圖上可以看到一個(gè)凹型的變化，這是彈力與離心力的相位不同步，帶來(lái)了在總振幅上的削弱表現(xiàn)，從這可以看出其與不平衡轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的區(qū)別。彈力小于離心力的作用時(shí)，凹點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，反之，這一現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速將大于臨界轉(zhuǎn)速。對(duì)于這一原因造成的故障，只需要用好的轉(zhuǎn)子換下變形的，就能消除異常振動(dòng)。

3.5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流

機(jī)組的振動(dòng)變化還和轉(zhuǎn)子的電流有著必不可分的關(guān)系，由于轉(zhuǎn)子上有電阻，電流流過(guò)時(shí)，電阻將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使得轉(zhuǎn)子溫度升高，并且產(chǎn)生形變。這種形變促使不平衡質(zhì)量分布產(chǎn)生的力矩發(fā)生變化，進(jìn)而帶來(lái)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)變化；即使冷態(tài)下轉(zhuǎn)子質(zhì)量平衡有著相對(duì)好的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子本身不平衡的膨脹也會(huì)造成動(dòng)態(tài)的質(zhì)量失衡，但是這種不平衡狀態(tài)隨著機(jī)組恢復(fù)到冷態(tài)，它也就不存在了。而當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生短路故障的時(shí)候，此時(shí)轉(zhuǎn)子上的電流增大，這會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，造成轉(zhuǎn)子較大的形變，這與發(fā)生于別處的膨脹形變有所不同，并帶來(lái)動(dòng)態(tài)的質(zhì)量失衡。

4 結(jié)論

異常振動(dòng)是汽輪機(jī)在工作中難以回避的故障。倉(cāng)促地對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行拆解檢查并不是一種有效的故障排查手段。第一步應(yīng)該從故障特征入手，確定故障點(diǎn)，然后根據(jù)發(fā)電機(jī)的維修記錄，進(jìn)一步了解故障點(diǎn)周?chē)慕M件的情況。由于剛進(jìn)行過(guò)維護(hù)的部件相對(duì)其他部件擁有較低的故障率，所以在查閱維修記錄的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)是剛維護(hù)保養(yǎng)過(guò)的，就應(yīng)該對(duì)之前的判斷進(jìn)行再一次的檢查，這一點(diǎn)是檢修人員需要極為注意的。這就要求工作人員積累更為深厚的經(jīng)驗(yàn)，其次企業(yè)管理者需要加強(qiáng)員工相關(guān)專(zhuān)業(yè)技能的培養(yǎng)，這不僅對(duì)員工的職業(yè)素養(yǎng)有著極為重要提升，而且對(duì)員工高效工作也是至關(guān)重要的。

作者簡(jiǎn)介：余德雷（1984-），男，湖北咸寧人，本科。